soluciones - academia2011.files.wordpress.com · Lanzamiento desde la superﬁcie terrestre Aquí...

Capítulo 8

Soluciones ejercicios

8.1. Resumen de fórmulas

8.1.1. Movimiento en un campo central de fuerza

F = − k

r2r.

El álgebra de esta materia puede resultar tediosa y muy repetida en diversosproblemas, por lo cual se dan aquí las principales fórmulas para hacer refe-rencias a ellas en las soluciones. En lo que sigue k es la constante de la leyde Fuerza, no la confunda con la energía cinética

r =l20mk

1

1− e cos(θ − α),

b =l20mK

1√1− e2

,

d2u

dθ2+ u = −mF ( 1

u)

l20u2

,

l0 = |mr × v| = mr2θ,

e2 = 1 +2El20mk2

,

E =1

2mv2 − k

r=1

2m(r2 + r2θ

2)− k

r,

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198 Soluciones ejercicios

β

α

(1)(2)

(3)

V0

R P

Q

Figura 8.1:

8.1.2. Lanzamiento desde la superficie terrestre

Aquí preferimos usar

k = GMm.

Si un proyectil se lanza de la superficie terrestre, formando un ángulo β conla horizontal, como se indica en la figura, que es materia de varios problemas,preferimos deducir aquí todas las relaciones.

8.1.3. Energía

E =1

2mV 2

0 −GMm

R=1

2m(V 2

0 − V 2e ).

8.1.4. Momentum angular

l0 = mRV0 cosβ.

8.1.5. Velocidad de escape

Ve =

r2GM

R.

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8.1 Resumen de fórmulas 199

8.1.6. Excentricidad

e2 = 1 +2El20

m(GMm)2

= 1 +4(V 2

0 − V 2e )V

20 cos

2 β

V 4e

.

8.1.7. Ecuación de la órbita

r =l20

m(GMm)

1

1− e cos(θ − α)

r =2V 2

0

V 2e

R cos2 β

1− e cos(θ − α).

8.1.8. Orientación α del semieje mayor (figura, caso(2))

Si r = R en θ = 0, se deduce que

1 =2V 2

0

V 2e

cos2 β

1− e cosα=⇒

cosα =1− 2V 20

V 2ecos2 βq

1− 4(1− V 20V 2e)V 20

V 2ecos2 β

sinα =2V 20

V 2ecosβ sinβq

1− 4V 20

V 2e(1− V 20

V 2e) cos2 β

8.1.9. Casos elípticos

Si V0 < Ve y β > 0 casos (1) y (2) de la figura, el proyectil cae de nuevoa la Tierra, y el alcance angular de P a Q está dado por

2α

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8.1.10. Alcance máximo

Deseamos obtener una expresión para el ángulo β de lanzamiento que daun alcance máximo para una rapidez inicial dada V0 < Ve. L inclinación delsemi eje mayor está dada por

cosα =1− 2V 2

0

V 2ecos2 βq

1− 4(1− V 20

V 2e)V 20V 2ecos2 β

.

Sean, para simplificar la notación

V0Ve= sin ς, cos2β = u

de modo que

cosα =1− 2u sin2 ςp1− 4u cos2 ς sin2 ς

.

Es una buena tarea probar que hay un extremo de cosα cuando

u =1

2 cos2 ς= cos2β =⇒

cosβ =1√2 cos ς

=1

√2q1− V 20

V 2e

(Note que si V0 es muy pequeño, el ángulo de disparo óptimo será β = π/4)Podemos entonces calcular para ese ángulo de disparo

cosαmax =1− 2u sin2 ςp1− 4u cos2 ς sin2 ς

=

p(−1 + 2 cos2 ς)cos2 ς

si cos ς > sin ς

Esta última condición puede escribirse V0 < Ve√2 y para este caso (más

álgebra)

sinαmax =

V 20

V 2e

1− V 20V 2e

=V 20

V 2e − V 2

0

si V0 < Ve√2

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8.1.11. Sistema de partículas

Ejercicio 8.1 La figura muestra una polea fija de masa despreciable y sinroce de la cual penden 2 partículas de masas m1 y m2 (m2 > m1), unidas poruna cuerda liviana e inextensible. Calcule la aceleración de cada partícula yla aceleración del centro de masa del sistema de partículas.

Solución. Suponiendo que m2 > m1 el sistema se moverá en el sentidode los punteros del reloj y si T indica la tensión tendremos

m2g − T = m2a2,

T −m1g = m1a1,

como a1 = a2 se tiene sumando

(m2 −m1)g = (m1 +m2)a2,

de donde sigue

a1 =m2 −m1

m1 +m2g, a2 = −m2 −m1

m1 +m2g.

La aceleración del centro de masa será

acm =m1a1 +m2a2m1 +m2

=m1(m2 −m1)

(m1 +m2)2g− m2(m2 −m1)

(m1 +m2)2g

= −(m2 −m1)2

(m1 +m2)2 g

=(m2 −m1)

2

(m1 +m2)2 g.

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N

Ejercicio 8.2 Tres partículas de igual masa m, unidas por barras rígidasde largo L y masa despreciable, están obligadas a moverse sobre los ejes talcomo lo muestra la figura. Si la partícula de la derecha tiene la velocidadv = v0ı , determine la velocidad del centro de masa, el momento angular delsistema respecto del centro de masa y respecto del origen O.

Y

XO

V0

L

L

Solución. Si θ indica el ángulo que la barra forma con la vertical, tenemosque

x = L sin θ,

y = −L cos θ,de donde derivando

x = Lθ cos θ = v0,

y = Lθ sin θ = L sin θv0

L cos θ= v0 tan θ.

Luego

vcm =2mv0ı+mv0 tan θ

3m,

=1

3(2v0, v0 tan θ).

Las velocidades de las partículas son paralelas a los vectores posición, luegoevidentemente

L0 = 0.

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El vector posición del centro de masa es

rcm =mL sin θı+m(L+ L sin θ)ı−mL cos θ

3m,

podemos finalmente calcular

Mrcm × vcm =

=mLv03

(1 + 2 sin θ,− cos θ)× (2, tan θ)

=1

3mLv0

sin θ + 2

cos θk.

El momentun angular relativo al centro de masa se obtiene del teorema deKoenig

L0 =Mrcm × vcm + Lcm = 0,

de donde

Lcm = −13mLv0

sin θ + 2

cos θk.

Nota : tan θ + 2 sin θ tan θ + 2 cos θ = sin θ+2cos θ

N

Ejercicio 8.3 Las posiciones de dos partículas A y B de masa ma = 1kgy mb = 2kg son respectivamente ra = (4− t; 3t2) y rb = (5 − 2t − t2; 10).Determine en t = 4 s la fuerza neta exterior sobre el sistema de partículas, elmomentum angular y torque respecto del origen del sistema de coordenadas.

Solución. Tenemos

d2

dt2¡4− t; 3t2

¢= Fa,

2d2

dt2(5− 2t− t2; 10) = Fb,

de donde

Fa = (0; 6) ,

Fb = (−4; 0),

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la fuera neta seráF = Fa + Fb = (−4; 6)N.

El momentum angular será

L0 =¡4− t; 3t2

¢× (−1; 6t) + 2(5− 2t− t2; 10)× (−2− 2t; 0)= (64t− 3t2 + 40)k

evaluando en t = 4 sL0 = 248k J s.

El torque es la derivada del momentum angular, es decir

τ 0 = (64− 6t)k = 40k JN

Ejercicio 8.4 La figura muestra un sistema formado por dos partículas cu-yas masas son m1 = 10 kg, m2 = 6kg. Las fuerzas netas que actúan sobrecada una de ellas respectivamente F1 = 8ıN y F2 = 6N . Inicialmente elsistema se encuentra en reposo. Calcule en función del tiempo las coordena-das del centro de masa y el momentum lineal total.

Y

XO4 m

3 m

F1

F2

Solución. Tenemos

(m1 +m2)acm = F1 + F2,

dP

dt= F1 + F2 = (8, 6),

16acm = F1 + F2 = (8, 6).

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Integrando la segundaP = (8t, 6t).

Integrando la tercera dos veces

vcm =1

8(4t, 3t),

rcm = rcm(0) +1

16(4t2, 3t2),

donde la posición inicial del centro de masa es

rcm(0) =10(0, 3) + 6(4, 0)

16=

µ3

2,15

8

¶,

finalmentercm = (

3

2+1

4t2,15

8+3

16t2).

N

Ejercicio 8.5 Tres partículas de igual masa m descansan sobre una super-ficie horizontal lisa, unidas mediante cuerdas de largo a sin masa, ubicadasen la línea recta que la une tal como se muestra en la figura. Inicialmente, alas partículas de los extremos se les da una velocidad inicial perpendicular ala cuerda de magnitud V0 mientras la partícula del centro continúa en reposo.Determine:

Y

XO

V0

V0

a

a

α

α

a) La velocidad del centro de masa en cualquier instante,

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b) La velocidad de las partículas en el instante que chocan las partículasextremas,

c) El momentum angular del sistema de partícula respecto al origen delsistema.

Solución. El momentun lineal en la dirección OX se conserva así como la

energía cinética. Si x1 = x es la coordenada de la partícula central, tenemos

x2 = x3 = x+ a cosα,

y2 = −y3 = a sinα,

x2 = x3 = x− aα sinα,

y2 = −y3 = aα cosα,

de manera que

Px = mx+ 2m(x− aα sinα) = 2mV0,

K =1

2mx2 + 2× 1

2m(x2 − 2axα sinα+ a2α2) = mV 2

0 .

La velocidad del centro de masas en cualquier instante será,

vcm =P

M=2mV03m

ı =2V03

ı.

Cuando chocan las partículas extremas, α = 0 y entonces

3x = 2V0,3

2x2 + a2α2 = V 2

0 ,

de donde

x =2

3V0,

aα = −rV 20 −

3

2(2

3V0)2 = −1

3

√3V0,

de aquí sale que la velocidad de la partícula central es

v = (2

3V0, 0),

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y las otras

v = (2

3V0,±1

3

√3V0).

Por razones de simetría, L0 es evidentemente cero.

N

Ejercicio 8.6 Tres partículas de masa m1 = 2kg, m2 = 3kg y m3 =5kg, se mueven bajo la influencia de un campo de fuerza de modo que susposiciones relativas a un sistema de coordenadas son:

r1 = 2tı− 3+ t2km

r2 = (t+ 1)ı+ 3t− 4kmr3 = t2ı− t+ (2t− 1)km

Calcule:

a) El momentum angular total del sistema,

b) El torque total externo aplicado al sistema respecto del origen,

c) El momento angular total y el torque respecto al centro de masa.

Solución. Similarmente

v1 = 2ı+ 2tk,

v2 = ı+ 3,

v3 = 2tı− + 2k,

entonces

L0 = m1r1 × v1 +m2r2 × v2 +m3r3 × v3

= 2(2tı− 3+ t2k)× (2ı+ 2tk) +3((t+ 1)ı+ 3t− 4k)× (ı+ 3) +5(t2ı− t+ (2t− 1)k)× (2tı− + 2k)

=¡31− 12t,−12− 10t+ 6t2, 21 + 5t2¢ .

El segundo resultado sigue de

τ 0 =dL0dt

= (−12,−10 + 12t, 10t) .

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Necesitamos calcular

rcm =m1r1 +m2r2 +m3r3

m1 +m2 +m3

=2r1 + 3r2 + 5r3

10

=2(2tı− 3+ t2k) + 3((t+ 1)ı+ 3t− 4k) + 5(t2ı− t+ (2t− 1)k)

10

= (7

10t+

3

10+1

2t2)ı+ (−3

5+2

5t)+ (

1

5t2 − 17

10+ t)k,

entoncesvcm = (

7

10+ t)ı+ (

2

5)+ (

2

5t+ 1)k,

entonces

Lcm = L0 −Mrcm × vcm,

τ cm =d

dtLcm.

(Trabajo para usted)

N

Ejercicio 8.7 Una granada inicialmente en reposo, estalla en 3 pedazos demasas m1, m2 y m3 cuyas velocidades son respectivamente:

v1 = 6ı+ 4+ 5k,

v2 = −5ı− 7j − 8k,v3 = −8ı+ 2+ k

Determine la relación entre sus masas.

Solución. Aquí P se conserva, luego

P = m1v1 +m2v2 +m3v3 = 0,

podemos igualar a cero las componentes obteniendo

6m1 − 5m2 − 8m3 = 0,

4m1 − 7m2 + 2m3 = 0,

5m1 − 8m2 +m3 = 0,

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si eliminamos m3 entre la primera y la segunda

22m1 − 33m2 = 0 =⇒ m1

m2=3

2,

si eliminamos m1 entre la segunda y la tercera

−3m2 + 6m3 = 0 =⇒ m2

m3= 2,

luegom1 : m2 : m3 = 3 : 2 : 1.

N

Ejercicio 8.8 Si cada partícula de un sistema es atraída hacia un puntofijo 0 con una fuerza proporcional a su masa y a su distancia al punto 0,demuestre que el centro de masa se mueve como si fuera una partícula delsistema.

Solución. Para cada partícula

miai = −Kmiri

es decir que cada partícula se mueve de acuerdo a

ai = −Kri.

Pero

rCM =

PmiriM

aCM =

PmiaiM

de modo que si sumamos todas las ecuaciones, obtenemos

MaCM = −KMrCM

o seaaCM = −KrCM

misma ecuación de movimiento que la de cada partícula.

N

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Ejercicio 8.9 Un conjunto de partículas de masas m, puede deslizar libre-mente sobre alambres paralelos, atrayéndose unas a otras con fuerzas propor-cionales al producto de sus masas y distancias. Demuestre que las partícu-las efectúan oscilaciones armónicas del mismo período relativas a un planoperpendicular a los alambres y que pasa por el centro de masa supuesto enreposo.

Solución. Supongamos que las correderas están en dirección OX y con-sidere dos de ellas de índices i, j. La ecuación de movimiento de la mi en ladirección OX será

mixi =Xj 6=i

Kmimjdij cos θij

donde dij indica la distancia entre las de índice i, j, y θij es el ángulo queforma la línea de la fuerza con el eje OX.

i

j

θ i j

di j

xi

xj

Entonces podemos escribir

xi = KmXj 6=i(xj − xi).

Por otro lado la posición X del centro de masas es

xCM =

PmixiM

=

Pxi

N,

entonces incluyendo i = j se tiene

xi = KmXj

(xj − xi)

= KmNxCM −KmNxi,

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es decirxi +KmN(xi − xCM) = 0,

prueba lo pedido, porqueω2 = KmN

es independiente de i.

N

Ejercicio 8.10 Dos partículas iguales se atraen con una fuerza inversamen-te proporcional al cuadrado de su distancia. Si las partículas deslizan sobrecorrederas lisas en ángulo recto, demuestre que el centro de masa describeuna cónica con su foco en la intersección de las correderas.

Solución. Considere la figura. Sea x = d cos θ, y = d sin θ entonces tene-mos por aplicación de la segunda Ley de Newton que

N

R

CMd

θ θ

F

F

mx = −F cos θ = − k

d2cos θ = − k

d3x

my = −F sin θ = − k

d2sin θ = − k

d3y

por otro lado xCM = x2y yCM = y

2, rCM = d

2entonces podemos escribir

xCM = − k

8mr3CMxCM ,

yCM = − k

8mr3CMyCM ,

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que equivale a

aCM = − k

8mr3CMrCM .

O sea el centro de masas es atraído hacia el origen con una fuerza inversa-mente proporcional al cuadrado de su distancia al origen. Problema que seestudia en campo central de fuerzas y se demuestra allí que la trayectoria esnecesariamente una sección cónica.

N

Ejercicio 8.11 Dos partículas de igual masa deslizan sobre correderas lisasperpendiculares que se interceptan en 0. Demuestre que si las partículas seatraen y ellas parten desde el reposo desde posiciones cualquiera sobre lascorrederas, ellas llegarán simultáneamente a la intersección.

Solución. Con una figura análoga a la del problema anterior, tenemosque

m1x = −F cos θ = −F x

d

m2y = −F sin θ = −F y

d

de dondem1xy −m2yx = 0.

Como las masas son iguales entonces

xy − yx = 0,d

dt(xy − yx) = 0.

Entonces xy − yx es constante e igual a cero porque las partículas partierondel reposo, o sea

xy − yx = 0,

o bienx

x=

y

y

que puede integrarse dando

ln y = ln c+ lnx,

y = cx

o sea si x = 0 entonces simultáneamente y = 0.

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N

Ejercicio 8.12 Dos partículas de masa m cada una se mueven sobre lascorrederas lisas perpendiculares OX y OY y se atraen con una fuerza propor-cional a su distancia, siendo K la constante de proporcionalidad. Si inicial-mente:

x(0) = a, y(0) = a,x(0) = −V0, y(0) = 0,

a) Determine x(t) , y(t) y b) Determine la ecuación cartesiana de la trayec-toria del centro de masa del sistema.

Solución. Similarmente tendremos

mx = −F cos θ = −Kd cos θ = −Kx

my = −F sin θ = −Fd sin θ = −Ky

de modo que

x(t) = A cosωt+B sinωt,

y(t) = C cosωt+D sinωt,

x(t) = ω(−A sinωt+B cosωt),

y(t) = ω(−C sinωt+D cosωt)

y colocando las condiciones iniciales dadas

a = A,

a = C,

−V0 = ωB,

0 = ωD

entoncesa)

x(t) = a cosωt− V0ωsinωt,

y(t) = a cosωt.

b) Las coordenadas del centro de masas son

xCM =x

2=1

2a cosωt− V0

2ωsinωt,

yCM =y

2=1

2a cosωt,

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de donde debemos eliminar t, obteniendo

xCM = yCM − V02ω

s1−

µ2yCMa

¶2,

que se puede escribir así

y2(1 + (V0aω)2)− 2yx+ x2 = (

V02ω)2.

Esto es se trata de una elipse.

N

Ejercicio 8.13 Dos partículas de igual masa están unidas por un resorte deconstante k y largo natural a. Además actúa entre ambas partículas una fuerzaamortiguadora proporcional a la rapidez de la variación de la distancia entreellas. El sistema se coloca en movimiento dándole a una de las partículas unavelocidad V0 perpendicular a la línea que une las partículas. Determine V0 sidespués de un tiempo muy largo, el largo del resorte es 2a.

Solución. Mirado desde el centro de masas, que por viajar a velocidadconstante vG = 1

2V0 es un sistema inercial, tenemos que las partículas al

comienzo y al final (una vez que las oscilaciones terminan) giran en circun-ferencias alrededor de el. Así al comienzo

LG = m1

2V0a

2+m

1

2V0a

2

=1

2mV0a.

Al final, si V son las rapideces respecto a G, entonces

LG = mV a+mV a = 2mV a.

Como el momentum angular es constante

V =1

4V0.

Además, para el movimiento circular de cada partícula

mV 2

a= K(2a− a),

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luego

V =

rKa2

my finalmente

V0 = 4V = 4a

rK

m.

N

Ejercicio 8.14 Tres partículas iguales están inicialmente en línea recta,igualmente espaciadas sobre un plano horizontal liso y unidas por dos hilosde largos “a“. La partícula del medio está inicialmente está en reposo, y a laspartículas externas se les da una velocidad V0 perpendicular a la línea quelas une. Calcule la velocidad con que chocan las partículas.

Solución. Al partir si x es la dirección perpendicular a la línea que unelas partículas entonces

Px = 2mV0

K =1

2mV 2

0 +1

2mV 2

0

= mV 20 .

Justo antes del choque, Las tres partículas tienen la misma componente develocidad en x, llamémosla u, y dos partículas tienen la misma rapidez v enel eje y entonces

Px = 3mu

K = 31

2mu2 + 2

1

2mv2.

Conservación de Px y K implica

u =2

3V0

y3

2(2

3V0)

2 + v2 = V 20

entoncesv =

1

3

√3V0.

N

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8.1.12. Choques

Ejercicio 8.15 Una partícula de masa M se encuentra en reposo mientrasque otra partícula de masa m se acerca con rapidez v y la choca frontalmentesiendo e el coeficiente de restitución. Determine las velocidades resultantesdel choque.

Solución. Tenemos que

Mv0M +mv0m = mV,

v0M − v0m = eV

de donde se despeja

v0m = −VMe−m

M +m, v0M = Vm

1 + e

M +m.

N

Ejercicio 8.16 Una partícula de masa M se encuentra en reposo mientrasque otra partícula de masa m se acerca con rapidez v y la choca frontal-mente siendo e = 0 el coeficiente de restitución. Determine las velocidadesresultantes del choque.

Solución. Es igual pero con e = 0 de manera que

v0m = Vm

M +m, v0M = V

m

M +m.

N

Ejercicio 8.17 Una partícula de masa m se suelta desde una altura h ylos choques que ocurren contra el suelo son con coeficiente de restitución e.Determine el tiempo total que demoran en ocurrir todos los choques.

Solución. Si la partícula se suelta desde una altura h1

y = h1 − 12gt2

vy = −gtllega al suelo en un tiempo t1 =

q2h1gcon rapidez −g

q2h1g= −√2gh1

y rebota con velocidad e√2gh1. Ahora con esa velocidad inicial de subida

llegará hasta una altura gh2 = 12e22gh1 o sea

h2 = e2h1.

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O sea la secuencia de alturas que ocurren es h1, e2h1, e4h1 · · · y los tiemposempleados son t1 =

q2h1g, t2 = 2

q2h2g, t3 = 2

q2h3g· · · y el tiempo total será

t =

r2

g

³ph1 + 2

ph2 + 2

ph3 + · · ·

´=

r2

g

³ph1 + 2e

ph1 + 2e

2ph1 + · · ·

´=

s2h1g

¡1 + 2e+ 2e2 + · · · ¢

=

s2h1g

µ1 +

2e

1− e

¶

=

s2h1g

µ1 + e

1− e

¶N

Ejercicio 8.18 Respecto a la situación del problema anterior, determine ladistancia total recorrida por la partícula.

Solución. La distancia total recorrida d será

d = h1 + 2h2 + 2h3 + · · ·

esto es

d = h1 + 2e2h1 + 2e

4h1 · · ·d = h1(1 +

2

1− e2).

N

Ejercicio 8.19 Una partícula de masa m = 1kg está en reposo mientrasque otra de masa m = 3kg se acerca con rapidez 5m s−1 por la izquierda yla choca con coeficiente de restitución e = 0,5. La partícula que estaba enreposo se coloca en movimiento y choca frontalmente contra una pared fijacon coeficiente de restitución e = 1, devolviéndose. Determine las velocidadesfinales una vez que todos los choques terminen.

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Solución. m1 = 3, v1 = 5, m2 = 1, v2 = 0, e = 0,5. De las fórmulasresultará

v02 =m1v1 +m2v2 +m1e(v1 − v2)

m1 +m2= 5. 625

v01 =m1v1 +m2v2 −m2e(v1 − v2)

m1 +m2= 3,125

la partícula (2) choca con la pared y se devuelve con rapidez v002 = −5,625.Tenemos un nuevo choque donde ahora las velocidades antes del segundochoque entre las partículas son v1 = 3,125, v2 = −5,625, e = 0,5. Así resul-tarán

v02 =m1v1 +m2v2 +m1e(v1 − v2)

m1 +m2= 4. 218 75

v01 =m1v1 +m2v2 −m2e(v1 − v2)

m1 +m2= −0. 156 25

habrá un tercer choque entre ellas donde inicialmente v1 = −0,15625, v2 =−4,21875, resultando finalmente

v02 =m1v1 +m2v2 +m1e(v1 − v2)

m1 +m2= 0. 35

v01 =m1v1 +m2v2 −m2e(v1 − v2)

m1 +m2= −1. 68

La partícula (2) chocará nuevamente con la pared pero no pilla más a lapartícula (1), de modo que las velocidades finales son

v02 = −0. 35m s−1v01 = −1. 68m s−1

N

Ejercicio 8.20 Una partícula de masa m (una bala) se acerca horizontal-mente con rapidez V y se incrusta en un saco de arena de masa M que cuelgade un cordel de longitud L. Por efecto del choque el sistema “ saco+ bala” ,sube una altura h, respecto a su altura inicial. Determine en términos de m,M, L, h la velocidad de la bala.

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1 22

1+2

Solución. El saco más bala adquiere una velocidad V 0 determinada por

mV = (m+M)V 0

V 0 =m

m+MV.

Por conservación de energía del movimiento siguiente se tiene

1

2V 02 = gh

o seam

m+MV =

p2gh

V =m+M

m

p2gh.

N

Ejercicio 8.21 La figura muestra el choque de dos bolas de billar. La bola2 se encuentra inicialmente en reposo y la bola 1, antes del choque, tiene unavelocidad de V1 en la dirección que se indica. Después del choque la bola 2sale en la dirección indicada con una rapidez de V 0

2 . Determine la mínimarapidez posible V 0

2 .

V'2

V'1

V1

30º

1

2

β

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Solución. La dirección normal al choque es la dirección de V 02 , luego

conservación de la cantidad de movimiento en las direcciones N y T dan(m1 = m2)

V1 cos 30 = V 02 + V 0

1 cosβ,

V1 sin 30 = V 01 sinβ,

y para el coeficiente de restitución

V 02 − V 0

1 cosβ = e(V1 cos 30)

si las reordenamos

V 02 + V 0

1 cosβ =1

2V1√3,

V 01 sinβ =

1

2V1

V 02 − V 0

1 cosβ =1

2eV1√3.

Sumamos la primera y la tercera y se obtiene

V 02 =

1

4V1√3 (1 + e)

de donde el mínimo que correponde a e = 0 es

(V 02)mın =

1

4V1√3

N

Ejercicio 8.22 Respecto a la situación del problema anterior si V1 = 4ms−1

y e = 0,5 determine la rapidez V 02 y el ángulo β .

V'2

V'1

V1

30º

1

2

β

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Solución. Las ecuaciones son las mismas.

V 02 + V 0

1 cos β =1

2V1√3 = 2

√3,

V 01 sinβ =

1

2V1 = 2,

V 02 − V 0

1 cos β =1

2eV1√3 =√3.

Similarmente

V 02 =

1

4V1√3 (1 + e) =

3

2

√3m s−1

Restamos la primera menos la tercera y se obtiene

V 01 cosβ =

1

4(1− e)V1

√3 =

1

2

√3,

dividimos por la segunda

cotβ =

√3

4,

β = 66. 59o.

N

Ejercicio 8.23 Una pelota de 0,5 kg incide sobre una superficie horizontalrígida con una rapidez de 50m s−1 en un ángulo de α = 60o con la vertical,ver figura. Si el coeficiente de restitución de la pelota con el suelo es e = 0,6,determine el valor absoluto del cambio de momentum lineal experimentadopor la tierra en el intervalo de tiempo que dura el choque y el ángulo β conque rebota la pelota.

α β

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Solución. El coeficiente de restitución es

e =V 0 cosβV cosα

=⇒ 0,6 =V 0 cosβ50 cos 60

,

y supondremos que la componente tangencial es conservada es decir

V 0 sinβ = 50 sin 60,

de aquí resulta

tanβ =50 sin 60

0,6× 50 cos 60 =⇒ β = 70. 891o.

El cambio de la cantidad de movimiento de la pelota será de magnitud

∆P = m(V cosα+ V 0 cos β) = 20,0 kgms−1,

igual al cambio del momentum de la Tierra.

N

Ejercicio 8.24 Una esfera de masa m1, en reposo, cuelga de una cuerdainextensible de largo L. Otra esfera masa m2, unida a una cuerda de iguallongitud, se suelta del reposo como se muestra en la figura. Determine entérminos de m1, m2, l y la altura a que vuelve a subir m2 respecto a la po-sición inicial de m1 si el choque es: (a) elástico (b) plástico y (c) inelásticocon coeficiente de restitución e.

L

m2m1

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Solución. Sea α el ángulo inicial que forma la cuerda con la vertical,conservación de energía da la rapidez de m2 justo antes de chocar

v2 =p2g(L− L cosα).

Luego tenemos

m2v2 = m2v02 +m1v

01,

v01 − v02 = e(v2),

de dondev02 = −v2

m1e−m2

m2 +m1

luego subirá una altura dada por

h =v0222g=1

2gv22(

m1e−m2

m2 +m1)2

= (L− L cosα)(m1e−m2

m2 +m1)2.

Usted puede escribir lo que ocurre si e = 0, e = 1.

N

Ejercicio 8.25 Una partícula de masa m1 y velocidad v1 choca con otrapartícula de masa m2 en reposo. El choque no es elástico de modo que 0 <e < 1. Después del choque la masa m1 se mueve perpendicularmente a ladirección de incidencia. Si Q es la energía disipada durante el choque y K1

la energía cinética de m1 antes del choque, demostrar que la energía cinéticaK 01 de m1 después del choque es:

K 01 =

m2

m1 +m2

·K1(m2 −m1)

m2−Q

¸Determine además, el calor disipado Q en función del coeficiente de restitu-ción e.

Solución. Sean v1 = v1ı, v01 = v01, v

02 = v02N, entonces

m1v1 = m1v01 +m2v

02N,

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La energía cinética disipada durante el choque será

Q =1

2m1v

21 − (

1

2m1v

021 +

1

2m2v

022 )

= K1 − (K 01 +

1

2m2v

022 )

pero

v022 =m21

m22

(v1 − v11)2,

como los vectores están a 90o, entonces

v022 =m21

m22

(v21 + v021 )

=m21

m22

(2K1

m1+2K 0

1

m1),

entonces Q se reduce a

Q = K1 −K 01 −

1

2m2

m21

m22

(2K1 + 2K

01

m1),

Q = K1 −K 01 −

1

2

m1

m2(2K1 + 2K

01),

de donde

K 01 =

m2

m1 +m2

·K1(m2 −m1)

m2−Q

¸N

Ejercicio 8.26 Una partícula (2) de masa m está en reposo y otra de lamisma masa (1) se acerca con rapidez V y la choca lateralmente de maneraque la que estaba en reposo sale en θ = 30o respecto a la dirección de in-cidencia de la primera. Si el choque es con coeficiente de restitución e < 1determine el ángulo φ desviación de la partícula incidente. Suponga que lavelocidad relativa tangencial no es afectada por el choque.

1 2

2'

1'

θφ

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Solución. Sean θ = 30o y φ por determinar, los ángulos en que se desvíanlas partículas respecto a la dirección de incidencia. Se tiene entonces

v01n + v02n = v1n + v2n

v01t + v02t = v1t + v2t

v02n − v01n = e(v1n − v2n)

v02t − v01t = v2t − v1t

pero aquí v2 es normal, luego v02t = 0 y v2n = v2t = 0 , luego

v01n + v02n = v1n

v01t = v1t

v02n − v01n = e(v1n)

−v01t = −v1tpero v01n = v01 cos(30 + φ), v01t = v01 sin(30 + φ), v1n = V cos 30, v1t = V cosφde modo que

v01 cos(30 + φ) + v02n = V cos 30

v02n − v01 cos(30 + φ) = eV cos 30

v01 sin(30 + φ) = V cosφ

restando las dos primeras

2v01 cos(30 + φ) = (1− e)V cos 30

v01 sin(30 + φ) = V cosφ

y dividiendo

cot(30 + φ) =(1− e)

2

cos 30

cosφ

ecuación que determina φ.

N

Ejercicio 8.27 Demuestre que en el choque lateral y elástico de dos partí-culas de la misma masa una de las cuales estaba en reposo, los ángulos enque se desvían las partículas respecto a la dirección de incidencia de la móvil,suman 90 grados, es decir que θ + φ = π/2.

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Solución. De un problema anterior tenemos

v01n + v02n = v1n

v01t = v1t

v02n − v01n = e(v1n)

pero si e = 1, se tiene

v01n + v02n = v1n

v02n − v01n = v1n

de dondev01n = 0

es decir v01 es tangente, y por lo tanto está a 90o de v02 que es normal.

N

Ejercicio 8.28 Una partícula (2) de masa m2 está en reposo y otra de ma-sa m1 (1) se acerca con rapidez V1 y la choca lateralmente de manera que laque estaba en reposo sale en un ángulo θ respecto a la dirección de incidenciade la primera. Si el choque es con coeficiente de restitución es e < 1 deter-mine la suma θ + φ en términos de m1, m2, e y θ. Suponga que la velocidadrelativa tangencial no es afectada por el choque.

1 2

2'

1'

θφ

Solución. La dirección normal es la dirección de v02 de manera que lasecuaciones serán

m1V1 cos θ = m2V02 +m1V

01 cos(θ + φ),

m1V1 sin θ = m1V01 sin(θ + φ),

eV1 cos θ = V 02 − V 0

1 cos(θ + φ).

Multiplicamos la tercera por m2 y restamos con la primera

(m1 −m2e)V1 cos θ = (m1 +m2)V01 cos(θ + φ),

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dividimos por la tercera

(m1 −m2e) cot θ = (m1 +m2) cot(θ + φ),

de donde

tan(θ + φ) =(m1 −m2e)

(m1 +m2)tan θ.

N

8.1.13. Masa variable

Ejercicio 8.29 Una gota de agua de masa 0,1 g se deja caer desde ciertaaltura en un ambiente de vapor de agua. El vapor de agua se condensa en ellaa razón constante de 0,001 g s−1. Considerando en reposo el vapor, determinela rapidez de la gota al cabo de 10 s.

Solución. La masa de la gota en función del tiempo y en gramos será

m(t) = 0,1 + 0,001t.

Si el agua que se condensa tiene velocidad nula (u = 0), entonces

F = mdv

dt− (u− v)

dm

dt=⇒

mg =d

dtmv,

que puede ser integrada

mv = g

Z t

0

mdt,

v(t) =g

m

Z t

0

mdt

=g

0,1 + 0,001t

Z t

0

(0,1 + 0,001t)dt

=10 (0,1t+ 0,000 5t2)

0,1 + 0,001 t

y cuando t = 10 s

v = 95. 455ms−1

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N

Ejercicio 8.30 Un carro con arena de masa 100 kg parte del reposo rodan-do sobre rieles inclinados en α = 30o respecto de la horizontal. Debido acierto dispositivo, del carro sale un chorro de arena a una tasa constante de2 kg s−1 con una velocidad relativa al carro de 1 kms−1 como se muestra enla figura. Despreciando efectos disipativos, determine en t = 10 s la fuerzaneta que actúa sobre el sistema.

g

Z

X

α

Solución. En la dirección del movimiento, eje X

Fx = mg sinα = (m(0)− λt)g sinα

además

Nz = −uz dmdt= uzλ = 2N.

En t = 10 s

Fx = (100− 2× 10)10 sin 30 = 400N,de manera que la fuerza neta será

F = 400ı+ 2k.

N

Ejercicio 8.31 Un cohete de lanzamiento vertical, sube con una acelera-ción de g/7m s−2. Si la velocidad relativa de los gases respecto del cohetees constante y de valor absoluto 800m s−1, determine la masa del cohete enfunción del tiempo si su masa inicial, incluido el combustible es de 4000 kg.

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Solución. La ecuación de movimiento OZ vertical hacia arriba es

−mg = mdv

dt− (u− v)

dm

dt,

donde u− v = −800m s−1, g = 10ms−2, dv/dt = g/7 de manera que

−10m = m10

7+ 800

dm

dt,

o seadm

m= −10 +

107

800dt = − 1

70dt,

que si se integra dam(t) = m(0)e−

t70 .

N

Ejercicio 8.32 La figura muestra un móvil de masa 1000 kg, inicialmenteen reposo, que contiene además 200 kg de combustible. Su motor quema elcombustible a razón constante 10 kg s−1. El móvil puede desplazarse sobre unasuperficie horizontal lisa. Si la velocidad relativa del móvil respecto de los ga-ses quemados es de 20m s−1, determine la velocidad del móvil transcurridos15 s.

Solución. De los datos

m(t) = 1200− 10t,la ecuación para el eje del movimiento será

0 = mdv

dt− (u− v)

dm

dt

= mdv

dt+ 20

dm

dt

o sea

dv = −20dmm

,

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integrando

v(t) = 20 ln1200

1200− 10t ,y a los 15 s

v = 2. 67m s−1.

N

Ejercicio 8.33 Un cohete de prueba de masa M0, incluido el combustible,desliza por una rampla horizontal sin roce con una rapidez v0. Con el fin defrenarlo, expulsa gases en sentido opuesto al movimiento a razón constantede σ kg s−1. Si la rapidez del cohete en función del tiempo es:

v =M0v0 −Kσt

(M0 − σt)

calcule:

a) La magnitud de la velocidad absoluta con que se expelen los gases,

b) La distancia que recorre (horizontalmente) el cohete hasta detenerse.

Solución. Aquím =M0 − σt,

la ecuación de movimiento en el sentido del movimiento es

0 = mdv

dt− (u− v)

dm

dt,

pero

v =M0v0 −Kσt

(M0 − σt),

mv = M0v0 −Kσt

debemos despejar u

u =ddtmvdmdt

=−Kσ

−σ = K.

Como sabemos quedx

dt=

M0v0 −Kσt

(M0 − σt),

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se detiene cuando

M0v0 −Kσt = 0 =⇒ t =M0v0Kσ

,

y el espacio recorrido será

x =

Z M0v0Kσ

0

M0v0 −Kσt

(M0 − σt)dt =

= M0v01 + (K

v0− 1) ln(1− v0

K)

σ

N

Ejercicio 8.34 Un balde de masa m está siendo tirado hacia arriba poruna cuerda la cual ejerce una fuerza de magnitud constante F. Inicialmenteel balde contiene una masa m0 de agua, pero pierde agua a razón constantede σ kg s−1 de modo que después de cierto tiempo, el balde queda vacío.

a) ¿Cuál es la velocidad del balde justo cuando queda vacío?

b) ¿Se conserva la cantidad de movimiento y la energía mecánica del sis-tema?

Solución. Haremos la suposición que la velocidad relativa de salida delagua es cero, de manera que para la dirección vertical hacia arriba

F −mg = mdv

dt− (u− v)

dm

dt

F −mg = mdv

dt= (m0 +mb − σt)

dv

dt,

el balde queda vacío cuando t = m0/σ y la rapidez en ese instante será

v =

Z m0/σ

0

(Fdt

(m0 +mb − σt)− gdt) =

F

σln

µm0 +mb

mb

¶− m0g

σ.

N

Ejercicio 8.35 Una cadena de densidad de masa σ kgm−1, posee en unextremo un cuerpo de masa M , El sistema se encuentra apilado en el suelo.En el instante t = 0 se aplica una fuerza F vertical sobre el cuerpo de masaM para levantar el conjunto con velocidad constante v . Calcule la magnitudde la fuerza cuando haya transcurrido un tiempo igual a v

2g.

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Solución. La masa del sistema será

m =M + σy =M + σvt,

donde y es la longitud de cadena levantada. Si v es constante

F −mg = −(u− v)dm

dt,

pero u es la rapidez de los eslabones en el suelo, u = 0, de manera que

F = mg + vdm

dt,

F = (M + σvt)g + vσv,

entonces cuando el tiempo sea

t =v

2g,

resulta

F = (M + σvv

2g)g + σv2

=3

2σv2 +Mg.

N

Ejercicio 8.36 Una cadena de longitud L y masa total M se suspende ver-ticalmente de modo que su extremo inferior está justo a nivel del suelo. Sila cadena se suelta, determine la reacción del suelo, mientras la cadena sedeposita cayendo por su propio peso.

Solución. Tenemos para el eje Y vertical

Fy = mdv

dt− (u− v)

dm

dt.

Si tomamos el montón depositado como sistema, entonces los eslabones quese incorporan tienen una velocidad

u = −gt,

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la masa m(t) después de transcurrido un tiempo t será

m =M

L

1

2gt2,

dm

dt=

M

Lgt,

y entonces, dado que v = 0 (trozo amontonado está en reposo)

N −mg = −udmdt

luego

N =M

L

1

2g2t2 +

M

Lg2t2

=3

2

M

Lg2t2.

N

Ejercicio 8.37 Una cadena de longitud L y masa total M está amontonadasobre el suelo. Si la cadena se levanta de un extremo aplicando una fuerzaconstante F hacia arriba, determine la altura que sube la cadena en funcióndel tiempo. Discuta sobre la altura máxima que alcanza la cadena, supuesta-mente muy larga de tal modo que siempre queda cadena depositada.

Solución. La densidad lineal de masa de la cadena es

λ =M

L.

Sea y el trozo levantado en tiempo t. Tenemos

F −mg = mdv

dt− (u− v)

dm

dt,

siendo u = 0, m = λy, de manera que

F −mg =dmv

dt

F − λyg =d

dt(λyy).

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Para integrar, multiplique por ydy, resultando

Fydy − λy2gdy = λyyd(yy) = λd(1

2y2y2),

que al ser integrada da

Fy2

2− λgy3

3=1

2λy2y2,

simplificando

F − 2λgy3

= λy2,

o biendy

dt=

rF

λ− 2gy

3

y finalmente

t =

Z y

0

dyqFλ− 2gy

3

=3q¡

Fλ

¢−√3q¡3F−2gyλλ

¢g

de donde se despeja

y =6p(λF )− λgt

6λt

=

ÃrF

λ− gt

6

!t.

La altura máxima corresponde a y = 0 lo que da

ymax =3F

2gλ.

N

Nota 8.1 Usted puede extrañarse que el peso máximo levantado es mayorque la fuerza aplicada y además que y(0) =

pF/λ a pesar que la cadena

partió del reposo. Hay una singularidad pues en el instante inicial, una fuerzafinita F es aplicada a un elemento infinitésimo de masa y ello provoca uncambio repentino de velocidad. Además por la inercia, la cadena sobrepasala posición de equilibrio.

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Ejercicio 8.38 Una gota esférica de agua atraviesa una capa de nube enreposo. Suponiendo que se condensa agua por unidad de tiempo sobre la gota,proporcionalmente a su superficie con constante de proporcionalidad K cono-cida, determine como crece el radio de la gota con el tiempo y como varía laaltura de ella a medida que transcurre el tiempo.

Solución. Sea R el radio de la gota, S su superficie, m su masa. Tenemos

dm

dt= KS.

Si ρ es la densidad tenemos

m =4

3πR3ρ,

dm

dt= 4πR2

dR

dtρ = K4πR2,

entoncesdR

dt=

K

ρ,

si el radio inicial R0 es despreciable, entonces

R(t) =Kt

ρ.

La ecuación de movimiento de la gota que cae, con u = 0, será

−mg = mdv

dt− (u− v)

dm

dt=

d

dt(mv),

donde la masa es conocida pues

m(t) =4

3π(

Kt

ρ)3ρ =

4

3πK3t3

ρ2,

de manera que se puede integrar

mv = −Z t

0

4

3πK3t3

ρ2gdt = −1

3πK3

ρ2gt4,

de donde se obtienev = −1

4gt.

Así resulta finalmentey = y(0)− 1

8gt2.

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N

Ejercicio 8.39 Un carrito, inicialmente de masa M y en reposo sobre unplano horizontal liso, comienza a moverse debido a que es impulsado por unchorro continuo de masa que se le va incorporando. Dichas masas salen desdeel punto de partida (como de una ametralladora) con rapidez U0 y a razón deλ unidades de masa por unidad de tiempo y se incrustan en el carrito cuandolo impactan. Determine la forma en que varían la aceleración, la velocidad yla posición del móvil con el tiempo.

Solución. Supongamos que el carrito partió del origen con rapidez nulay sea x lo que recorre. La masa del carrito está dada por

m = M +λt

U0t(U0t− x)

= M +λ

U0(U0t− x).

(El chorro de masa tiene una masa total λt y tendría una longitud U0t,pero todo lo que exceda x se ha incrustado).La ecuación de movimiento es

0 = mdv

dt− (U0 − v)

dm

dt

= (M +λ

U0(U0t− x))

dv

dt− (U0 − v)

λ

U0(U0 − v).

Preferible dejar una ecuación para la masa porque

m =λ

U0(U0 − v)

m = − λ

U0

dv

dt,

luego

0 = −mU0λm− U0

λm2,

mm+ m2 = 0,

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ecuación que es fácil integrar

md

dm

1

2m2 = −m2 =⇒

dm2

m2= −2dm

m,

de donde

lnm2

λ2= −2 ln m

Mo sea

m

λ=

M

m,

mdm = λdt,

m2 −M2 = 2λt

y luego

m =M +λ

U0(U0t− x) =

√M2 + 2λt,

y así

x = U0M + λt−p(M2 + 2λt)

λ,

v =dx

dt= U0

p(M2 + 2λt)− 1p(M2 + 2λt)

.

N

Ejercicio 8.40 Un cohete de masa total M, de la cual fM , con f menorque uno, es de combustible, descansa verticalmente antes de encender losmotores. Si se encienden los motores, que arrojan masa a razón constante σ(σ = −dm/dt) con rapidez relativa al cohete de magnitud U0, establezca lacondición que debe cumplirse para que el cohete comience a despegar de in-mediato. Para este caso, determine la máxima altura que alcanza, suponiendoaceleración de gravedad constante y despreciando el roce con el aire.

Solución. Tenemosm(t) =M − σt.

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Si el cohete no ha despegado, existe una reacción normal en el suelo y ademásla velocidad es nula. Entonces

N −mg = −(u− v)dm

dt= −(−U0)(−σ)

o seaN = mg − U0σ.

Si queremos que el cohete despegue en t = 0, debe ser N = 0 en ese instantelo que lleva a

U0σ =Mg.

Si se cumple, entonces el cohete acelera siendo ahora

−mg = mdv

dt− (−U0)(−σ),

o sea

mdv

dt=Mg −mg,

con m =M − σt de lo cual

dv

dt=

Mg

M − σt− g,

que puede integrarse

v(t) =

Z t

0

Mg

M − σtdt− gt =

Mg

σln

M

M − σt− gt,

siendo esto válido hasta

t =fM

σ,

para ese tiempo

v = gMf − ln (1− f)

σ.

Después sigue con la aceleración de gravedad y se deja para el lector sucontinuación.

N

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Ejercicio 8.41 Una cadena de largo total M y longitud L, flexible, es sos-tenida colgando de modo que su extremo inferior está justo al nivel del suelo.Si el extremo superior de la cadena se suelta, determine la reacción del suelocontra la parte depositada, en función del tiempo.

Solución. Sea y la distancia recorrida por el extremo superior y el sistemade mas variable es el montón depositado. Como eslabones van en caída libre

y =1

2gt2,

u = −gt,m =

1

2gt2

M

L,

dm

dt= gt

M

L

luego, si R es la reacción

R−mg = mdv

dt− (u− v)

dm

dt, v = 0,=⇒

R = mg − udm

dt

=1

2g2t2

M

L+ g2t2

M

L=3

2

M

Lg2t2.

N

Ejercicio 8.42 Una cadena flexible tiene masa total M y longitud L. Lacadena está inicialmente amontonada en el suelo. Una cuerda se hace pasarsobre una polea lisa, uno de los extremos unido a un extremo de la cadenay el otro extremo de la cuerda a un partícula de masa M. Si la partícula sesuelta partiendo del reposo

a) escriba la ecuación de movimiento para el extremo de la cadena.

b) determine la rapidez del extremo de la cadena en función de su posición.

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Solución. Sea y la longitud levantada por la tensión T producida por lapartícula. Tenemos que

m =M

Ly,

dm

dt=

M

Ly,

u = 0,

de manera que

T −mg = mdv

dt+ v

dm

dt,

Mg − T = Mdv

dt,

sumando las dos

Mg −mg = (M +m)dv

dt+ v

dm

dt,

Mg − M

Lyg = (M +

M

Ly)dv

dt+

M

Ly2,

o sea la ecuación de movimiento es

gL− gy = (L+ y)y + y2.

Para integrarla hay que hacer algún truco. Como usted sabe

y =1

2

d

dyy2,

entonces multiplique por L+ y

g(L2 − y2) = (L+ y)21

2

d

dyy2 + (L+ y)y2,

que es la derivada de un producto

g(L2 − y2) =d

dy(L+ y)2

1

2y2,

como inicialmente y(0) = y(0) = 0 integramos

(L+ y)21

2y2 = g(L2y − y3

3)

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y finalmente

y =

s2g(L2y − y3

3)

(L+ y)2.

N

8.1.14. Campo central. Orbitas

Ejercicio 8.43 Un satélite de masa m describe órbitas circulares alrededorde la tierra, a una distancia r = 2R del centro de fuerza. Determine enfunción de G, M y R: a) la rapidez del satélite, b) su período de revolución,c) la aceleración de gravedad que actúa sobre el satélite y compárela con elvalor g en la superficie terrestre.

Solución. Para órbitas circulares

mv2

r=

GMm

r2=⇒ v =

rGM

r=

rGM

2R.

Su periodo de revolución será

T =2πr

v= 4πR

r2R

GM.

La aceleración de gravedad a esa altura será

g =F

m=

GM

r2=

GM

4R2,

mientras que a nivel del suelo

g0 =GM

R2.

N

Ejercicio 8.44 Calcule la rapidez mínima con que debe lanzarse vertical-mente una partícula de masa m, para que abandone la superficie terrestresin retornar a ella (velocidad de escape). Además, calcule el tiempo requeridopara que esta partícula llegue a una altura igual al radio terrestre sobre lasuperficie de la Tierra.

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Solución. Para que la partícula escape, según una órbita parabólica, conexcentricidad e = 1, la energía debe ser cero, es decir

E =1

2mv2 − GMm

R= 0 =⇒ v =

r2GM

R.

Después de ser lanzada con esa velocidad, la energía es (mismo valor)

1

2mr2 − GMm

r= 0,

de modo que

r =

r2GM

r,

Al nivel r = R esta es

v =

r2GM

R.

Para integrar podemos separar variables

√rdr =

√2GMdt,

e integrar2

3r3/2 − 2

3R3/2 =

√2GMt,

y el tiempo para que sea r = 2R, será

t =1√2GM

(2

3(2R)3/2 − 2

3R3/2) =

2

3

rR3

2GM(23/2 − 1).

N

Ejercicio 8.45 Demuestre que la ecuación de la energía se puede escribirde la forma: ·

du

dθ

¸2+ u2 =

2(E − U)

mh2,

siendo u = 1r, h = l0

m.

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Solución. En coordenadas polares la energía es

E =1

2m(r2 + r2θ

2) + U(r),

y el momentum angular es de magnitud

l0 = |mr × v| = mr2θ,

si eliminamos

θ =l0mr2

=h

r2,

podemos escribir

E =1

2mr2 +

1

2mh2

r2+ U(r),

pero

r =dr

dt=

dr

dθ

dθ

dt=

h

r2dr

dθ= h

du

dθ,

de manera que

E =1

2m(h

du

dθ)2 +

1

2mh2

r2+ U(r),

=1

2mh2(

du

dθ)2 +

1

2mh2u2 + U(r),

2

mh2(E − U) = (

du

dθ)2 + u2,

que prueba el resultado.

N

Ejercicio 8.46 Se lanza un proyectil de masa m desde la superficie de laTierra hacia el espacio, con rapidez inicial v0. Despréciese la resistencia delaire y determine: a) la rapidez a una altura h sobre la superficie terrestre yb) la menor rapidez con que debe ser lanzado el proyectil para que no retornea Tierra.

Solución. La segunda pregunta ya ha sido contestada en problemas an-teriores. Para la primera sigue de la conservación de la energía

E =1

2mv20 −

GMm

R=1

2mv2 − GMm

R+ h,

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de donde despejando v sigue el resultado

v =

rv20 +

2GM

R+ h− 2GM

R.

N

Ejercicio 8.47 Una partícula que se mueve en un campo central de fuerzasdefinido por F = −kr2r . Si parte del reposo de un punto de una circunfe-rencia de radio a, demuestre que cuando llega al punto de una circunferenciade radio b su rapidez será

v =

r2k(a3 − b3)

3m.

Solución. La energía potencial asociada a la fuerza dada es

U =1

3kr3,

de modo que la energía es

E =1

3ka3 =

1

2mv2 +

1

3kb3,

de donde sigue el resultado

v =

r2

3

k

m(a3 − b3).

N

Ejercicio 8.48 Una partícula de masa m, se mueve sobre un plano hori-zontal sometida a una fuerza que la atrae hacia un punto O fijo del plano,siendo la magnitud de la fuerza proporcional a la distancia de la partículaal punto 0 (k > 0, constante de proporcionalidad). Cuando la partícula seencuentra en P con OP = 2a, la velocidad de la partícula es perpendicular a

OP y su magnitud es v = 12aq

km, determine la distancia mínima al punto

O, que puede alcanzar la partícula.

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Solución. Aquí

F = −kr =⇒ U(r) =1

2kr2.

La energía y el momentum angular son conservados, es decir

E =1

2mv2 +

1

2kr2,

l0 = mr2θ.

Sus valores iniciales son

E =1

2m(1

2a

rk

m)2 +

1

2k(2a)2 =

17

8Ka2,

l0 = m2a1

2a

rk

m= a2√mk.

Entonces

θ =a2

r2

rk

m

La energía cinética en polares es

1

2mv2 =

1

2m(r2 + r2θ

2) =

1

2m(r2 +

a4

r2k

m).

En un máximo o mínimo de r, r = 0 por lo tanto

1

2m(

a4

r2k

m) +

1

2kr2 =

17

8ka2,

de donde podemos despejar r

r =1

2a.

N

Ejercicio 8.49 (1) Una partícula está en órbita circular de radio a en tor-no a la tierra, supuesta esférica, en reposo, de masa total M , de radio R, ysin considerar roce con el aire. Demuestre que si la velocidad de la partículaes repentinamente cambiada por un factor f , la excentricidad de la órbitaresultante es

e =¯f2 − 1¯ .

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Solución. En una órbita circular

v =

rk

ma.

Si la cambiamos en un factor f la nueva energía y momentum angular son

E =1

2f2

k

a− k

a,

l0 = maf

rk

ma,

si reemplazamos en

e2 = 1 +2El20mk2

,

se obtiene

e2 = 1 +2(12f2 k

a− k

a)ma2f2 k

a

mk2= 1 + f4 − 2f2,

de dondee =

¯f2 − 1¯ .N

Ejercicio 8.50 (4) Respecto a la situación del problema anterior, determi-ne el factor f para que la partícula pase tangente a la superficie terrestre.

Solución. Falta encontrar la órbita en el problema anterior. Para ellocalculamos

l20mk

=m2a2f2 k

ma

mk= af2,

por lo tanto

r =af2

1− |f2 − 1| cos(θ − α).

Sin duda debe ser f < 1, por lo tanto

r =af2

1− (1− f2) cos(θ − α).

Si el cambio de la rapidez se hizo en θ = 0, debe ser

a =af2

1− (1− f2) cosα=⇒ α = 0,

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y

r =af2

1− (1− f2) cos θ.

Sea R < a el radio terrestre. Busquemos la solución para r = R, resulta

cos θ =R− af2

R (1− f2).

Deseamos que en ese punto la trayectoria sea tangente a la superficie terrestre.Esto significa que para ese valor de θ debe ser r = 0. Debemos derivar

dr

dt=

dr

dθ

dθ

dt= 0,

lo que requieredr

dθ= 0.

Pero, paciencia, resulta

dr

dθ=

af2 (−1 + f2) sin θ

1− 2 cos θ + 2 (cos θ) f2 + cos2 θ − 2 (cos2 θ) f2 + (cos2 θ) f4 = 0,

por lo cual θ = π y

cos θ =R− af2

R (1− f2)= −1 =⇒ f =

r2R

a+R.

N

Ejercicio 8.51 (2) Una partícula describe una órbita circular en un campode fuerzas dado por

F (r) = − k

r2.

Demostrar que si k disminuye bruscamente a la mitad de su valor inicial, laórbita de la partícula se hace parabólica.

Solución. Sea k0 el valor inicial de la constante. Para una órbita circular

mv2

r=

k0r2,

E =1

2mv2 − k0

r= −k0

2r< 0.

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Si k disminuye a la mitad, la energía cinética queda igual

K =k02r,

y la energía potencial sera

V = −k02r,

luego la energía es cero, por lo tanto la órbita es parabólica.

N

Ejercicio 8.52 (4) Calcular explícitamente la media temporal (o sea, lamedia en un periodo completo) de la energía potencial de una partícula quese mueve sobre una órbita elíptica en un campo central en el que la fuerzaobedece la ley inversa del cuadrado de la distancia. Expresar el resultado enfunción de la constante de proporcionalidad de la fuerza y del semieje mayorde la elipse. Efectuar un cálculo similar para la energía cinética.

Solución. Tenemos

r =l20mk

1

1− e cos θ,

l0 = mr2θ.

Además

V = −kr,

K =1

2(mv2) =

1

2mr2 +

1

2mr2θ

2

=1

2m

µdr

dθ

¶2θ2+1

2mr2θ

2

=1

2

Ã1

r4

µdr

dθ

¶2+1

r2

!l20m

pero

dr

dθ= − l20e sin θ

mk (1− e cos θ)2

= −mk

l20e sin θr2

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K =1

2

µm2k2

l40e2 sin2 θ +

1

r2

¶l20m

entonces

< V >=1

T

Z T

0

V dt =1

T

Z 2π

0

V

θdθ

= −mk

Tl0

Z 2π

0

rdθ

= − l0T

Z 2π

0

1

1− e cos θdθ = − l0

T

2π√1− e2

.

Similarmente para la energía cinética resulta

< K >=1

T

Z 2π

0

K

θdθ =

1

2

l0T

2π√1− e2

N

Ejercicio 8.53 (4) Dos partículas iguales que se mueven bajo la influenciade la atracción gravitacional mutua, describen órbitas circulares una en tornode la otra con un período τ . Si repentinamente se detienen y caen una sobrela otra, demostrar que chocarán después de un tiempo

τ

4√2.

Solución. Si k representa la constante de la ley de fuerza, y 2a la distanciainicial, entonces inicialmente

mv2

a=

k

4a2,

v =

rk

4ma,

de modo que el periodo es

τ =2πa

v= 2πa

r4ma

k.

Si se detienen, caen una hacia la otra de manera que

mr = − k

4r2, r(0) = 0, r(0) = a.

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Podemos integrar porque

r =1

2

d

drr2,

luego

m1

2r2 =

k

4

µ1

r− 1

a

¶,

r = −s

k

2m

µ1

r− 1

a

¶,

separamos variablesdrq

k2m

¡1r− 1

a

¢ = −dt,entonces

t =

Z a

0

drqk2m

¡1r− 1

a

¢ ,sea r = az

t = a

r2ma

k

Z 1

0

dzq1z− 1

=τ

2π√2

Z 1

0

dzq1z− 1

=τ

2π√2

π

2=

τ

4√2.

N

Ejercicio 8.54 (3) Dos masas que se atraen, m1 y m2 (m1+ m2 = M),están separadas una distancia r0 y se las suelta a partir del reposo. Demostrarque cuando la distancia sea r menor que r0, las velocidades serán

v1 = m2

r2G

M(1

r− 1

r0),

v2 = m1

r2G

M(1

r− 1

r0).

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Solución. Tenemos, para un origen en el centro de masa

m1r1 = −Gm1m2

r2,

m2r2 = −Gm1m2

r2,

donde r = r1 + r2 y

r1 =m2

Mr, r2 =

m1

Mr,

de manera que las dos ecuaciones se reducen a una sola

r = −GMr2

,

como

r =1

2

d

drr2,

integramos la ultima obteniendo

r = −s2GM

µ1

r− 1

r0

¶,

y de aquí se obtiene

r1 =m2

Mr = −m2

M

s2GM

µ1

r− 1

r0

¶= −m2

s2G

M

µ1

r− 1

r0

¶,

r2 =m1

Mr = −m1

M

s2GM

µ1

r− 1

r0

¶= −m1

s2G

M

µ1

r− 1

r0

¶,

que prueban el resultado.

N

Ejercicio 8.55 (4) Estudiar el movimiento de una partícula repelida porun centro de fuerzas de acuerdo con la ley F (r) = kr. Demostrar que laórbita sólo puede ser hiperbólica.

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Solución. Aquí conviene usar coordenada cartesianas

mx = kr cos θ = kx,

my = kr sin θ = ky.

Ambas pueden integrarse siendo k/m = p en la forma

x = Aept +Be−pt,

y = Cept +De−pt.

Para determinar la trayectoria, debemos eliminar t entre esas dos ecuaciones.Para ello las escribimos

Ae2pt − xept +B = 0,

Ce2pt − yept +D = 0,

y resolviendo ecuaciones de segundo grado tenemos

ept =x+√x2 − 4AB2A

=y +

py2 − 4CD2C

,

y haciendo algo de álgebra

x

2A− y

2C=

py2 − 4CD2C

−√x2 − 4AB2A

,

−12

xy

AC= −D

C− 12

p(y2 − 4CD)

C

p(x2 − 4AB)

A− B

A,

reordenando

2BC + 2AD − xy = −p(y2 − 4CD)

p(x2 − 4AB)

elevando al cuadrado y reordenando

4ABy2 + 4CDx2 − 4(BC +AD)xy = −4 (AD −BC)2 ,

que es la ecuación de una hipérbola porque el lado derecho es negativo.

N

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Ejercicio 8.56 (4) Una partícula se mueve bajo la influencia de una fuerzacentral dada por

F (r) = − k

rn.

Demuestre que si la órbita es circular y pasa por el centro de fuerzas, entoncesn = 5.

Solución. La ecuación de Binet para u = 1/r es

d2u

dθ2+ u = −mF ( 1

u)

l20u2

.

Si la partícula describe una circunferencia de radio R donde está el centro defuerza, la ecuación puede escribirse

r = 2R cos θ,

o seau =

1

2R cos θ,

derivando

du

dθ=

1

2R cos2 θsin θ,

d2u

dθ2=

1

2R cos θ+

1

R cos3 θsin2 θ

=1

2R cos θ+1− cos2 θR cos3 θ

= − 1

2R cos θ+

1

R cos3 θ= −u+ 8R2u3,

de aquí sigue

8R2u3 = −mF ( 1u)

l20u2

,

F (1

u) = −8R

2l20m

u5,

F (r) = −8R2l20

mr5.

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N

Ejercicio 8.57 (4) Suponga un cometa que describe una órbita parabólicaen el mismo plano que la órbita terrestre. Si la menor distancia del cometaal Sol es “γRT” donde RT es el radio de la órbita de la Tierra (supuestacircular) y γ < 1, demostrar que el tiempo que el cometa pasa dentro de laórbita terrestre viene dado porp

2(1− γ)(1 + 2γ)/3π años

Solución. La ecuación de la órbita del cometa será de la forma (unaparábola)

r =c

1− cos θ ,pero debe ser

rmın =c

2= γRT ,

o sear =

2γRT

1− cos θ .Los puntos (θ1 y 2π−θ1) donde la órbita del cometa cruza la órbita terrestreestán dados por

RT =2γRT

1− cos θ1 ,de donde

cos θ1 = 1− 2γ.Por otro lado, el elemento de área barrida por el cometa es

dA =1

2|r × v| dt = l0

2mdt,

dondel20mk

= 2γRT ,

y

dA =1

2r2dθ,

de modo que1

2r2dθ =

l02m

dt,

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de aquí sigue

dt =m

l0r2dt =

l30mk2

(1

1− cos θ )2dθ,

luego el tiempo será

t =l30

mk2

Z 2π−θ1

θ1

(1

1− cos θ )2dθ =

l30mk2

1

3

1 + 3 tan2 12θ1

tan3 12θ1

El factor que multiplica lo anterior está relacionado con el período terrestre.En efecto

l20mk

= 2γRT =⇒ l0 =pmk2γRT ,

entoncesl30

mk2=

rm2γRT

k2γRT =

r2γRT

GMS2γRT ,

y el periodo terrestre está dado por

TT =2πRT√GMS

pRT ,

luego

t = γp2γ

TTπ

1

3

1 + 3 tan2 12θ1

tan3 12θ1

pero

cos θ1 = 1− 2γ, tan θ12=

r1− cos θ11 + cos θ1

=

r2γ

2− 2γy reemplazando tan θ1

2resulta finalmente

t = TT (1 + 2γ)

p2(1− γ)

3π.

N

Ejercicio 8.58 (4) Estudiar el movimiento de una partícula en un campode fuerzas centrales que sigue la ley de proporcionalidad inversa del cuadradode la distancia, si además se superpone otra fuerza de magnitud inversamenteproporcional al cubo de la distancia entre la partícula y el centro de fuerzas.Es decir,

F (r) = − k

r2− λ

r3

con k > 0.Demuestre que la trayectoria es una elipse que rota o precesa.

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Solución. La ecuación de Binet para la órbita será

d2u

dθ2+ u = −mF ( 1

u)

l20u2=

m

l20u2(ku2 + λu3)

=mk

l20+

λm

l20u.

De aquí sigued2u

dθ2+ (1− λm

l20)u =

mk

l20cuya solución es

u =1

r=

mk

(l20 − λm)+A cos

s(1− λm

l20)θ,

y si λml20¿ 1 corresponde a una curva parecida a una elipse pero que no se

cierra en una vuelta completa.

N

Ejercicio 8.59 (3) Determine la expresión de la fuerza de un campo centralque permita a una partícula describir una órbita espiral dada por r = kθ,siendo k una constante.

Solución. De nuevo, la ecuación de Binet es la clave

d2u

dθ2+ u = −mF ( 1

u)

l20u2

,

siendo

u =1

r=1

kθ,

du

dθ= − 1

kθ2,

d2u

dθ2=

2

kθ3= 2k2u3,

por lo tanto

−mF ( 1u)

l20u2= 2k2u3 + u,

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despejando

F (1

u) = − l20

m(2k2u5 + u3),

F (r) = −− l20m(2k2

r5+1

r3).

N

Ejercicio 8.60 (3) Determine la expresión de la fuerza de un campo centralque permita a una partícula describir una órbita espiral logarítmica dada porr = Keaθ siendo k y a constantes.

Solución. Es análogo, donde ahora

u =1

r=1

Ke−aθ,

du

dθ= − a

Ke−aθ

d2u

dθ2=

a2

Ke−aθ = a2u,

por lo tanto

−mF ( 1u)

l20u2= a2u+ u,

despejando

F (1

u) = − l20

m(a2 + 1)u3,

F (r) = − l20m(a2 + 1)

1

r3.

N

Ejercicio 8.61 (4) Una partícula de masa unidad se desplaza desde el in-finito a lo largo de una recta que, de seguir, haría que la partícula pasasea una distancia b

√2 de un punto P. Si la partícula es atraída hacia P con

una fuerza proporcional a kr5y el momento angular respecto de P es

√k/b ,

demuestre que la trayectoria está dada por

r = b coth(θ/√2).

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Solución. La ecuación de Binet será

d2u

dθ2+ u = −mF ( 1

u)

l20u2

=ku5

kb2u2= b2u3,

o sead2u

dθ2+ u− b2u3 = 0.

O la resolvemos, problema dificil, o comprobamos que

u =1

btanh(θ/

√2),

es solución. Comprobaremos:

du

dθ=

1

b√2(1− tanh2(θ/

√2)) =

1

b√2(1− b2u2),

d2u

dθ2=

1√2(−2bu) 1

b√2(1− b2u2) = u

¡−1 + b2u2¢,

que prueba que se trata de una solución. Faltaría probar que la asíntota dela trayectoria pasa a distancia b

√2 del origen. Notemos que r =∞ =⇒ u = 0

o sea la asíntota es una recta paralela al eje OX (el eje polar). La distanciaal origen de esa recta se obtiene haciendo θ = π/2, donde

r = b coth(π/2√2) = 1. 023 803 943b

(Este valor no es b√2; se aceptan comentarios o correcciones)

N

Ejercicio 8.62 Una partícula es atraída hacia un centro fijo de fuerzas conuna fuerza proporcional a la distancia de la partícula al centro. Demuestreque la trayectoria es una curva plana que puede ser representada por lasecuaciones:

x = A cos(nt+ α),

y = B sin(nt+ β)

La constante n está relacionada con la masa de la partícula y la constantede proporcionalidad de la fuerza.

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Solución. Las ecuaciones de movimiento en coordenadas cartesianas se-rán

mx = −kx,my = −ky,

que tienen soluciones de la forma dada si k/m = n2.

N

Ejercicio 8.63 Una partícula es atraída hacia un centro fijo de fuerza 0 poruna fuerza de forma k/r2. La partícula es lanzada desde un punto P con unavelocidad. de magnitud V0 en un ángulo α respecto de OP . Demuestre que laórbita es una elipse si OP ≤ 2k/(mV 2

0 ). Determine además, en términos dem, k, V0 ,α , y OP = r0 la excentricidad de la órbita y la inclinación del ejemayor respecto de OP .

Solución. Evaluamos según las condiciones iniciales

E =1

2mV 2

0 −k

r0,

l0 = mr0V0 sinα.

La excentricidad es

e2 = 1 +2El20mk2

= 1 +2(12mV 2

0 − kr0)l20

mk2.

La órbita será una elipse si E < 0, es decir si

(1

2mV 2

0 −k

r0) < 0 =⇒ r0 <

2k

mV 20

.

Si además reemplazamos l0 se obtiene

e =

s1 +

2(12mV 2

0 − kr0)mr20V

20 sin

2 α

k2.

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La ecuación de la órbita es

r =l20mk

1

1− e cos(θ − α)

=mr20V

20 sin

2 α

k

1

1− e cos(θ − β),

y el ángulo β queda determinado de

r0 =mr20V

20 sin

2 α

k

1

1− e cos(β),

que es una ecuación que dejamos planteada por si alguien quiere resol-verla.

N

Ejercicio 8.64 Admitiendo que la tierra es una esfera fija de radio R ydespreciando la resistencia del aire, considere el lanzamiento de un proyectilcon rapidez inicial V0 formando un ángulo ξ0 con la vertical del lugar. Si

V 2e =

2GM

R,

donde G es la constante de gravitación, M la masa terrestre y V0 < Ve ,demuestre que la excentricidad y la ecuación de la trayectoria del proyectilson:

e =q1− sin2(2β) sin2(ξ0),

R/r =(1− e cos(θ − α))

2 sin2(β) sin2(ξ0)

siendo

sinβ = V0/Ve,

sinα = sin2 β sin(2ξ0)/e

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Solución. Podemos usar los resultados del problema anterior pero colo-cando k = GMm, α = ξ0 y r0 = R. Así tenemos

e =

s1 +

2(12mV 2

0 − kr0)mr20V

20 sin

2 α

k2

=

s1 +

2(12mV 2

0 − GMmR)mR2V 2

0 sin2 ξ0

G2M2m2

=

s1 +

4(V 20 − 2GM

R)R2V 2

0 sin2 ξ0

4G2M2

=

s1 +

4(V 20 − V 2

e )V20 sin

2 ξ0V 4e

=

s1− 4(1− V 2

0

V 2e

)V 20

V 2e

sin2 ξ0

=q1− 4(1− sin2 β) sin2 β sin2 ξ0

=q1− sin2 2β sin2 ξ0.

..........Pura álgebra. Además

l20mk

=2R2V 2

0 sin2 ξ0

2GM

=2RV 2

0 sin2 ξ0

V 2∗= 2R sin2 β sin2 ξ0,

por lo cual la ecuación de la trayectoria será

r =2R sin2 β sin2 ξ01− e cos(θ − α)

Aquí α representa la inclinación del semi eje mayor de la cónica.Para θ = 0, r = R

1 =2 sin2 β sin2 ξ01− e cosα

=⇒

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1− 2 sin2 β sin2 ξ0 = e cosα

cosα =1− 2 sin2 β sin2 ξ0p1− sin2 2β sin2 ξ0

sin2 α = 1− (1− 2 sin2 β sin2 ξ0)

2

1− sin2 2β sin2 ξ0=

1− sin2 2β sin2 ξ0 − (1− 2 sin2 β sin2 ξ0)2e2

bastante álgebra · · · =⇒=

4 sin4 β sin2 ξ0 cos2 ξ0

e2,

sinα =sin2 β sin2 2ξ0

e

N

Ejercicio 8.65 Una partícula de masa m se mueve en una órbita circularde radio R con rapidez V0 atraída hacia el centro con una fuerza inversa-mente proporciona al cuadrado de la distancia de la partícula al centro. Sirepentinamente la rapidez se reduce a la mitad, determine en términos de R0y V0: la ecuación de la nueva órbita, su excentricidad y la distancia mínimade la partícula al centro durante el movimiento siguiente.

Solución. Para la órbita circular

mv20R0

=k

R20,

entonces

v0 =

rk

mR0

que reducida a la mitad implica

E =1

2m1

4

k

mR0− k

R0

= −78

k

R0

l0 = mR01

2

rk

mR0=1

2

pmR0k,

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luego

e2 = 1 +2(−7

8kR0)14mR0k

mk2=9

16=⇒ e =

3

4,

yl20mK

=14mR0k

mk=1

4R0,

luego la nueva órbita es (tomando α = 0)

r =1

4R0

1

1− 34cos θ

=R0

4− 3 cos θ .

N

Ejercicio 8.66 (1) Una partícula de masa m = 1 es atraída por una fuerzainversamente proporcional al cuadrado de su distancia a un punto fijo 0 y semueve describiendo la elipse:

r =100

1− 12cos θ

.

Si en el punto más alejado de su trayectoria, la rapidez de la partícula esV = 1, determine la constante de la ley de fuerza. Si en el punto más alejado,la rapidez de la partícula es duplicada, determine la ecuación de la nuevaórbita.

Solución. Aquí como m = 1

l20k= 100,

el punto más alejado es

rmax =100

1− 12

= 200,

luego

l0 = |mr × v| = 200 =⇒k =

(l0)2

100=2002

100= 400.

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Si en el punto más alejado la rapidez se hace V = 2,calculamos

l0 = |mr × v| = 200× 2 = 400,E =

1

2mv2 − k

r=1

24− 400

200= 0→

e = 1,

l20mk

=(400)2

400= 400,

de modo que la nueva órbita es

r =400

1− cos(θ − α),

una parábola. Para determinar el ángulo α consideramos que en θ = 0,r = 200 de modo que

200 =400

1− cos(α)de donde α = π y finalmente

r =400

1 + cos(θ).

N

Ejercicio 8.67 (1) Una partícula de masa m se mueve en una órbita circu-lar de radio R0 con rapidez V0 atraída hacía el centro con una fuerza inver-samente proporcional al cuadrado de la distancia de la partícula al centro.Si repentinamente la rapidez de la partícula se aumenta a V =

√αV0 siendo

α > 1, demuestre que si α ≥ 2 la partícula se aleja hasta el infinito. Encambio si α < 2 , determine la ecuación de la nueva órbita en términos deR0, V0 y α.

Solución. Tenemos para la órbita circular

V0 =

rk

mR0,

la nueva rapidez

V =√α

rk

mR0,

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E =1

2αk

R0− k

R0,

l0 = mR0√α

rk

mR0.

La excentricidad es

e2 = 1 +2(12α kR0− k

R0)(mR0

√αq

kmR0

)2

mk2= (α− 1)2 .

Entoncese = α− 1,

que es una parábola o hipérbola si α ≥ 2. Si α < 2 resultará

r =l20mk

1

1− (α− 1) cos θ=

R0α

1− (α− 1) cos θ .

N

Ejercicio 8.68 (4) Determine las posibles leyes de fuerza central si unapartícula describe bajo su acción una circunferencia, con el centro de fuerzasen el interior del círculo.

Solución. Si el origen está sobre un diámetro a distancia d del centro, laecuación de la circunferencia será (teorema del coseno)

R2 = r2 + d2 − 2dr cos θ,de

0 = rdr

dθ+ dr sin θ − d cos θ

dr

dθ,

dr

dθ=

dr sin θ

d cos θ − r,

d2r

dθ2=

d

dθ

dr sin θ

d cos θ − r

r = d cos θ +p(d2 cos2 θ +R2 − d2),

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de aquí

u =1

r=

1

d cos θ +p(d2 cos2 θ +R2 − d2)

Lo dejaremos hasta aquí, por ser demasiada el álgebra necesaria. Calcule

du

dθ,d2u

dθ2,

expréselas en términos de u y reemplace en la ecuación de Binet.

N

Ejercicio 8.69 (3) Considere una partícula que se mueve en un campo cen-tral atractivo k/r2 con k < 0. Demuestre que para un momentum angulardado, la mínima energía que puede tener la partícula es:

E = −mk2

2l2.

Solución. La energía es

E =1

2m(r2 + r2θ

2)− k

r,

reemplazando del momentun angular

θ =l0mr2

,

resulta

E =1

2mr2 +

1

2

l20mr2

− k

r= 1

2

l20mr2

− k

r,

pero1

2

l20mr2

− k

r,

tiene un mínimo que se encuentra derivando

− l20mr3

+k

r2= 0⇒ r =

l20mk

,

para el mínimo, luego

E = 1

2

l20mr2

− k

r= −1

2

mk2

l20.

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N

Ejercicio 8.70 Una partícula de masa m se mueve en una órbita circularde radio R0 con rapidez V0 atraída hacia el centro con una fuerza inversa-mente proporcional al cuadrado de la distancia de la partícula al centro. Sirepentinamente la velocidad se reduce a la mitad, determine en términos deR0 y V0 la ecuación de la nueva órbita.

Solución. Sabemos que

V0 =

rk

mR0,

luegok = mR0V

20 ,

la nueva energía será

E =1

2m1

4V 20 −

mR0V20

R0= −7

8mV 2

0 ,

el nuevo momentum angular

l0 = mR0V02,

luego

e2 = 1 +−74mV 2

0 m2R20

V 20

4

m(m2R20V40 )

=9

16,

luego

r =(mR0

V02)2

m2R0V 20

1

1− 34cos θ

=14R0

1− 34cos θ

.

N

Ejercicio 8.71 (2) Un satélite está en órbita ecuatorial geo estacionaria,es decir permanece en el mismo punto relativo a la tierra que rota. Dados,la masa terrestre M , la constante de gravitación G, Ω la velocidad angularterrestre, determine la ecuación de la nueva órbita si la rapidez absoluta delsatélite es repentinamente aumentada al doble.

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Solución. Si Ω denota la velocidad angular terrestre entonces órbita geoestacionaria significa

v0 = Ωr0

además de (problema anterior)

v0 =

rGM

r0

con estas se puede obtener:

r0 =1

Ω3p(GMΩ),

v0 = 3p(GMΩ).

Sea por un momento v0 = 2q

GMr0la velocidad inicial. Entonces

E =1

2m4

GM

r0− GMm

r0

= GMm

r0

l0 = mr02

rGM

r0

entonces

e2 = 1 +2GMm

r04m2r20

GMr0

mG2M2m2= 9

entonces

r =4m2r20

GMr0

mGMm

1

1− 3 cos(θ − α)

=4r0

1− 3 cos(θ − α)

Si el ángulo polar se mide desde donde cambió la velocidad entonces debeser α = π y finalmente

r =4r0

1 + 3 cos θ

=4

Ω3p(GMΩ)

1

1 + 3 cos θ

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N

Ejercicio 8.72 Un satélite de masa m está en órbita circular de radio 2Ren torno a la tierra supuesta esférica, de masa M y radio R, en reposo y sinatmósfera. Si la velocidad se altera en un punto de la órbita en un factor f ,determine: a) la ecuación de la nueva órbita. b) el rango de valores de f paralos cuales el satélite chocará con la tierra. c) el rango de valores de f para loscuales el satélite se aleja indefinidamente.

Solución. Para la órbita circular

v =

rGM

2R,

la nueva rapidez es

v = f

rGM

2R,

la nueva energía es

E =1

2mf2

GM

2R− GMm

2R=1

4GMm

f2 − 2R

,

el nuevo momentum angular es

l0 = m(2R)f

rGM

2R,

la excentricidad será dada por

e2 = 1 +2El20

m(GMm)2=¡f2 − 1¢2 ,

de dondee =

¯f2 − 1¯ .

además

l20mk

=(m(2R)f

qGM2R)2

mGMm= 2Rf2,

de manera que la nueva órbita es

r =2Rf2

1− |f2 − 1| cos(θ − α).

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Si el cambio de la rapidez ocurre en θ = 0 debe ser

2R =2Rf2

1− |f2 − 1| cos(α) ,

de donde

1− ¯f2 − 1¯ cos(α) = f2,

cosα =1− f2

|1− f2| .

Si f < 1 =⇒ cosα = 1 entonces

r =2Rf2

1− (1− f2) cos θ.

Si f > 1 =⇒ cosα = −1 entonces

r =2Rf2

1 + (f2 − 1) cos θ .

El satélite puede chocar con la Tierra sólo si f < 1 y para saberlo hay quever si la ecuación

r =2Rf2

1− (1− f2) cos θ= R,

tiene o no solución. Esta es

2f2 = 1− (1− f2) cos θ,

despejando

cos θ =1− 2f21− f2

> −1,debe ser

1− 2f2 > f2 − 1de donde

f <

r2

3.

Para este caso, el satélite chocará con la Tierra. Por último, el satélite noregresa si e = |f2 − 1| > 1 o sea si f >

√2.

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N

Ejercicio 8.73 Un satélite está en órbita ecuatorial geo estacionaria, esdecir permanece en el mismo punto relativo a la tierra que rota. Dados, lamasa terrestre M, la constante de gravitación G, Ω la velocidad angular te-rrestre, determine la ecuación de la nueva órbita si la rapidez absoluta delsatélite es repentinamente reducida a la mitad.

Solución. Es casi igual al problema 7,91 pero ahora

E =1

2m1

4

GM

r0− GMm

r0

= −78

GMm

r0

l0 = mr01

2

rGM

r0

entonces

e2 = 1 +2(−7

8GMmr0)14m2r20

GMr0

mG2M2m2=9

16entonces

r =m2r20

14GMr0

mGMm

1

1− 34cos(θ − α)

=1

4r0

1

1− 34cos(θ − α)

=1

Ω3p(GMΩ)

1

4− 3 cos θN

Ejercicio 8.74 (4) Considere la tierra como esférica, en reposo de masaM y radio R, sin atmósfera. Se lanza un proyectil con rapidez inicial V0formando un ángulo β respecto a la horizontal. Determine el arco que elproyectil recorre hasta llegar al suelo (si lo hace). Discuta las condiciones bajolas cuales el proyectil cae nuevamente al suelo. La constante de gravitaciónes G.

Solución. La energía es

E =1

2mV 2

0 −GMm

R,

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el momentum angular esl0 = mRV0 cosβ,

la excentricidad será

e2 = 1 +2(12mV 2

0 − GMmR)m2R2V 2

0 cos2 β

m(GMm)2

= 1 +(V 20 − 2GM

R)R2V 2

0 cos2 β

(GM)2,

l20mk

=m2R2V 2

0 cos2 β

mGMm=

R2V 20 cos

2 β

GM,

de modo que la trayectoria es

r =R2V 2

0 cos2 β

GM

1

1− e cos(θ − α).

Para la notación, introducimos la velocidad de escape

Ve =

r2GM

R,

de manera que

e2 = 1− 4(V20 − V 2

e )V20 cos

2 β

V 4e

,

l20mk

=2RV 2

0 cos2 β

V 2e

,

de modo que la trayectoria es

r =2RV 2

0 cos2 β

V 2e

1

1− e cos(θ − α).

Si r(0) = R hay necesariamente dos puntos donde la trayectoria intersecta ala superficie de la Tierra. Esos ángulos son θ = 0 y θ = 2α, además de e < 1.Entonces

R =2RV 2

0 cos2 β

V 2e

1

1− e cosα,

R =2RV 2

0 cos2 β

V 2e

1

1− e cos(θ1 − α),

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de donde se deduce que

θ1 − α = α =⇒ θ1 = 2α,

y de cualquiera de las anteriores

1− e cosα =2V 2

0 cos2 β

V 2e

,

o sea

cosα =1− 2V 20 cos

2 β

V 2e

e

cosα =1− 2V 20 cos

2 β

V 2eq

1− 4(V 20 −V 2e )V

20 cos

2 β

V 4e

.

Esta expresión la hemos visto de diversas forma en otros problemas. Si

z = V 20 /V

2e

entonces

cosα =1− 2z cos2 βp

1− 4(1− z)z cos2 β,

que puede escribirse

cosα =1− 2z cos2 βp

(1− 2z cos2 β)2 + z2 sin2 2β

=1− 2z cos2 β|1− 2z cos2 β|

1q1 + z2 sin2 2β

(1−2z cos2 β)2.

Hay dos casos

a) Si 1− 2z cos2 β > 0, o sea

z <1

2 cos2 β,

ángulos de disparo grandes, entonces

cosα =1q

1 + z2 sin2 2β(1−2z cos2 β)2

.

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b) Si 1− 2z cos2 β < 0, o sea

1 > z >1

2 cos2 β

ángulos de disparo pequeños, entonces

cosα = − 1q1 + z2 sin2 2β

(1−2z cos2 β)2.

Note que si 1− 2z cos2 β = 0

cosα = 0,

esto es el semieje mayor está a 90o del punto de lanzamiento, y el proyec-til cae diametralmente opuesto por la Tierra al punto de lanzamiento.

N

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